Печь для вытягивания волокон из тугоплавких стекол Советский патент 1991 года по МПК C03B37/09 

Изобретение относится к производству оптического волокна из тугоплавких материалов, например, кварцевого стекла, применяемого в коммуникационных линиях оптической связи, в оп тоэлектронике и вычислительной технике.

Известная печь для вытягивания волокон из тугоплавких стекол, включающая нагреватель из высокоогнеупорньк электропроводных оксидов, вьшолненный в виде вогнутого снаружи с отверстием, по центру тела вращения, токоподводящие электроды, нагрева- тель предварительного нагрева и высокоогнеупорнут теплоизоляцию.

Работа печи происходит следующим, образом.

После предварительного нагревайия др/ температуры 1100-12 00С подают электрическое питание на токоподводящие

электроды нагревателя, который разогревают до необходимой температуры Затем в канал вводят заготовку, наг пример, кварцевый стержень, и после прогревания его до размягчения стек

00 ла вытягивают нить.

о

Печь имеет ряд конструктивных не:достатков, не позволяющих повыситьмаксимальную температуру и температур4 4: ный градиент в канале печи снизить температуру верхнего токоподводяп{его электрода и повысить устойчивость нагревателя.-

Для повышения скорости вытягивания кварцевого волокна необходимо повьппать температуру на нагревателе до величины 2200-2300с, чего в печи данной конструкции достичь не удается из-за сминания нагревателя под .действием собственного веса и веса токсшодводящих электродов, даже при нагреватель деформируется

под действием собственного веса и л веса электродов.

Технология формования кварцевого волокна требует, чтобы температурный градиент в верхней части канала печи бьш максимальным для предотвращения кристаллизации стержня из кварцевого стекла, в нижней же .части, тде :волсясно движется со скоростью 10-50 м/мин температурньш градиент не так важен. Однако в известной конструкции печи именно в нижней части канала температурный градиент максимален, а в верхней части канала не превьшает 100°/см. Это, вконечном счете, приводит к низкому качеству вытягиваемого волокна.

Значительные конвективные потоки горячего воздуха, поднимающиеся по каналу печи вверх, нагревают верхний .токоподводящий электрод и вызывают его расплавление при температуре в канале печи выше 2100 С.

Вышеуказанные недостатки ограничиватт области применения известной печи

Наиболее близким к изобретению до технической Сущности и достигаемому ; результату является печь для вытягивания волокна из тугоплавких стекол, Включающая V-образный трубчатый нагреватель из высокоогнеупорных электропроводных оксидов, токоподводящие электроды, нагреватель предварительного нагрева опоры и теплоизолирующий экран.

По сравнению с вышеуказанным дан,ная печь позволяет несколько повысить максимальную температуру в кана|ле печи, так как активная часть нагревателя испытьшает только растягивающие нагрузки под действием собственного веса.

Однако и данная конструкция печи не позволяет существенно повысить максимальную температуру и температурный градиент в канале печи, снизить температуру токоподводящих электродов и повысить устойчивость , нагребателя.

Зти недостатки связаны прежде всего неудачной установкой нагревателя эпеч

В известной конструкций печи V-образный трубчатый нагреватель из высокоогнеупорных электропроводных оксидов установлен расширенной часть вверх и опирается расширенной частью на опоры, вьшолненные в ввде трубы с прорезью.

Температурный градиент в печи данной конструкции составляет 100200 град/см вверх от максимд1льно нагретой зоны и 200-300 град/см вниз от максимально нагретой зоны. Это связано с тем, что максимально нагретая зона из наиболее тонкой части нагревателя смещается вверх за счет конвективных потоков воздуха. Незначительный температурный градиент в верхней части нагревателя вызывает кристаллизацию заготовок из кварцевого стекла и резкое ухудшение качества кварцевого волокна. Кроме того конвективные потоки воздуха из максимально нагретой зоны вызывают расплавление токоподводящих электродов.

Опоры в виде трубы с прорезью, на которой крепится нагреватель, имеет температуру лишь на .150-200 ниже температуры нагревателя, поэтому при максимальной температуре нагревателя под действием веса нагревате я происходит рластическая деформация опоры, что, в конечном итоге, является причиной низкой УСТОЙЧИВОСТИ нагревател

Нагреватель, установленньш на опору, испытывает растягивающие усилия под действием собственного веса. Известно, что механическая прочность оксидной керамики на разрыв в 5-10 раз ниже, чем прочность на сжатие, поэтому при максимальных температуг pax нагреватель будет разрушаться.

Опасность расплавления токоподводящих электродов, низкая устойчивость нагревателя и его разрушение при высоких температурах не позволяют повысить максимальнзпо температуру в канале и тем самым увеличить скорость вытягивания волокна.

Целью настоящего изобретения является повьш1ение максимальной температуры и температурного градиента в канале печи, снижение температуры токоподводящих электродов и повышение устойчивости нагревателя.

Поставленная цель-достигается тем что в печи для вытягивания волокна из тугоплавких стекол, включающий V-образный трубчатый нагреватель из высокоогнеупорных электропроводных оксидов, токопроводящие электроды, нагреватель предварительного нагрева, ohoры и теплоизолирующий экран, нагреватель смонтирован на опорах расширенной частью вниз. При таком расположении нагревател конструкция печи имеет ряд преимуществ. 1 . За счет конструкции нагревател и конвективных потоков воздуха зона максимальных температур находится вблизи верхнего среза нагревателя, поэтому градиент температур от зоны максимальных температур вверх достигает 500-800 град/см, что позволяет производить вытягивание волокна из тугЬплавких стекол, не опасаясь их кристаллизации. Для еще большего увеличения температурного градиента от зоны максимальных температур вверх (до 1000 град/см) сверху нагревателя может быть установлен теплоизолирующий экран с отверстием для прохода заготовок из тугоплавких стекол, который снижает тепловые потери через верхний срез нагревателя. Это приводит к тому, что зона максимальных температур еще больше смещается вверх и градиент температуры вверх существенно возрастает. 2.Как нагреватель, так и высокоогнеупорная теплоизоляция испытывают только сжимающие нагрузки под дей ствием собственного веса, поэтому на стенке нагревателя можно развивать температуры близкие к температуре плавления высокоогнеупорных электрюпроводных оксидов из которых изготов лен нагреватель. Это позволяет повысить максимальную температуру в кана ле печи. Опоры, на которые установлен нагреватель, -расположены в нижней низкотемпературной части печи и не подвержены, деформации под действием веса нагревателя, что также позволяет повысить устойчивость нагревателя. 3.Токоподводящие электроды расположены в нижней части печи и не подвергаются перегреву конвективными потоками горячего воздуха. Наоборот, за счет конвекции они охлаждаются потоками холодного воздуха и не расплавляются даже при температуре в печи до 2300°С.. На чертеже приведен вертикальный разрез печи. Печь содержит.V-образный нагреватель из диоксида циркония с добавкой оксидов иттрия, кальция и магния 1. Токопроводящими электродами 2 нагреватель установлен на опоры 3 расщире ной частью вниз и прижимается к ним высокотемпературной теплоизоляцион-ной,трубой 4 из цирконата кальция. Сверху на нагреватель установлен теплоизолирующий экран 5 из ZrO с отверстием для прохода заготовок из тугоплавких стекол. Печь работает следующим образом. Включают нагреватель предварительного нагрева (на рисунке не показан) и, регулируя подаваемую электрическую мощность, разогревают оксидный нагрева.ель.до температуры со скоростью 5 град/мин. При этой температуре материал оксидного нагревателя становится достаточно электродным. После предварительного нагрева на платиновые токоподводящие электроды подают регулируемый по величине переменный ток промьшленной частоты и разогревают окстгщггът нагреватель до. температуры, достаточной для вытяжки волокна. После чего в канал печи вводят через отверстие в теплоизолирующем экране заготовку 6 из кварцевого стекла в виде стержня. После размягчения стекла и образования луковицы на заготовке, производят вытягивание нити 7. По мере срабатывания стержня в процессе вытягивания нити стержень непрерывноопускают в печь. Опытный печи, вьшолненньш . в соответствии с описанием, .испытан, в режиме вытяжки кварцевого волокна на заготовке Диаметром 9 мм. Длина нагревателя - 150 мм, диаметр проходного канала - 20 мм, минимальная толщина стенки нагревателя - 2,5 мм, диаметр отверстия в теплоизолируйщем экране - 10 мм, В режиме вытяжки при температуре на заготовке 2100 С, напряжение на Нагревателе 170в, ток - 18в. После работы печи в течение 6ч, видимых изменений на электродах и нагревателе не обнаружено. Испытание макета печи, изготовленной в соответствии с известной конструкцией, после 6ч. работы в режиме вытяжки кварцевого волокна при тем- пературе на заготовке показано, что один из токоподводящик электродов со стороны канала расплавился, нагреватель за время работы удлинился на 2,5.мм, а высокотемпературная теплоизоляционная .труба изогнулась и стала короче на 4 мм.

ПЕЧЬ ДЛЯ ВЫТЯГИВАНИЯ ВОЛОКОН ИЗ ТУГОПЛАВКИХ СТЕКОЛ,, включающая V-образный трубчатый нагреватель из Еысокоогнеупорных электропровод- . .ных оксидов, токоподводящие электроды, нагреватель предварительного нагрева, опоры и теплоизолирующий экран,, отличающаяся тем,что, с целью повышения в канале печи максимальной температуры и температурного градиента, снижения температуры токоподводящих электродов и повышения устойчивости нагревателя, нагреватель смонтирован на опорах расширенной частью вниз.